(57)【要約】  【課題】溶接品質の向上を図りながら、保護ガラスの交換頻度を少なくして、生産性を向上させる。  【解決手段】レーザ溶接ヘッド１は、集光レンズ３の前面側に配置された保護ガラス４と、レーザ光Ｌｂの光軸に対してその直交方向からエアを層状に吹き出してスパッタＳ等の付着防止のためのエア乱流層６を形成するエアノズル５と、上記保護ガラス４表面での空気流れに上流側から刺激を与えて乱流境界層１５を形成して、保護ガラス４表面に一旦付着したスパッタＳ等を除去する保護ガラスクリーニング手段１１とを備えている。この保護ガラスクリーニング手段１１は、永久磁石９に対向させた金属リボン８に交流を通して振動させるものとし、乱流境界層１５での乱流成分の成長と増幅を促進する。  【選択図】  図２
2005177760.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光学系の末端の集光レンズにてレーザ光を集光した上で被加工物に照射してレーザ加工を施すレーザ加工ヘッドであって、
集光レンズよりも被加工物側の前面に配置された保護ガラスと、
保護ガラスよりも被加工物側であって且つレーザ光路の側方に配置され、レーザ光の光軸に対してその直交方向からエアを層状に吹き出して加工副次物の付着防止のための空気流れを形成するエア吹き出し手段と、
上記保護ガラス表面での空気流れの境界層に上流側から刺激を与えて乱流化させることにより保護ガラス表面の加工副次物を除去する保護ガラスクリーニング手段と、
を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
上記保護ガラスクリーニング手段は、保護ガラス表面での空気流れの上流側に相当する位置に設けた振動体をもって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
保護ガラスのうちレーザ光透過領域以外の部分を延長してガラス延長部とし、このガラス延長部に振動体を支持させたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接に代表されるようなレーザ加工に用いられるレーザ加工ヘッドに関し、特にレーザ光学系の末端の集光レンズの前面側に保護ガラスを備えたレーザ加工ヘッドの改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接用のレーザ加工ヘッドでは、集光レンズの前面側すなわち集光レンズと被加工物との間に保護ガラスを設けて、加工副次物であるスパッタやヒュームの付着から集光レンズを保護するようにしている。その一方、保護ガラスそのものへのスパッタやヒュームの付着が不可避であり、そのまま放置すると加工点出力の低下により溶接品質の低下が余儀なくされることから、保護ガラスの定期的な交換が必要となっている。特に亜鉛めっき鋼板やアルミニウム合金の溶接ではスパッタやヒュームの発生量が多くなるため、保護ガラスの交換頻度が顕著となる。
【０００３】
このようなことから、集光レンズもしくは保護ガラスへのスパッタやヒュームの付着防止手段として、それらの集光レンズもしくは保護ガラスよりも被加工物側にいわゆるエアシャッタを設けて、スパッタやヒュームを吹き飛ばすようにした技術が特許文献１および特許文献２にて提案されている。
【特許文献１】特開２００２−６６７８１号公報（図１）
【特許文献２】特開２００２−１９２３７４号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、積極的に集光レンズに向けてエアを吹き付けるようにしているため、全てのスパッタやヒュームを吹き飛ばすことができないばかりでなく、特にシールドガスを併用する場合に集光レンズに当たったエアが加工点近くの流れを乱すことになり、溶接品質に悪影響を与えることとなって好ましくない。
【０００５】
また、特許文献２に記載の技術では、いわゆるエアシャッタを複数段にわたり配置しているため、保護ガラスへのスパッタやヒュームの付着量の低減効果は認められるものの、保護ガラスに一旦付着したスパッタやヒュームに対してはエアシャッタ効果が必ずしも有効に作用せず、したがってスパッタやヒュームの付着による溶接品質の低下や、保護ガラスの交換頻度が高くなることによる生産性の低下がなおも危惧される。
【０００６】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、レーザ加工に伴って発生したスパッタやヒュームを吹き飛ばすことができることはもちろんのこと、特に保護ガラスの表面に一旦付着したスパッタやヒュームまでも除去することができるようにしたレーザ加工ヘッドを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、レーザ光学系の末端の集光レンズにてレーザ光を集光した上で被加工物に照射してレーザ加工を施すレーザ加工ヘッドとして、集光レンズよりも被加工物側の前面に配置された保護ガラスと、保護ガラスよりも被加工物側であって且つレーザ光路の側方に配置され、レーザ光の光軸に対してその直交方向からエアを層状に吹き出して加工副次物の付着防止のための空気流れを形成するエア吹き出し手段と、上記保護ガラス表面での空気流れの境界層に上流側から刺激を与えて乱流化させることにより保護ガラス表面の加工副次物を除去する保護ガラスクリーニング手段とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
上記のエア吹き出し手段は、レーザ光の光軸に対してその直交方向からエアを層状に吹き出すことによって従来の同等のいわゆるエアシャッタを形成することになる。
【０００９】
また、上記の保護ガラスクリーニング手段としては、例えば請求項２に記載のように、保護ガラス表面での空気流れの上流側に相当する位置に設けた振動体をもって形成するものとする。
【００１０】
したがって、請求項１に記載の発明では、エア吹き出し手段からエアを層状に吹き出すことで従来と同等のいわゆるエアシャッタ機能が発揮され、これによってレーザ溶接等に伴って発生した加工副次物としてのスパッタやヒュームが吹き飛ばされることになる。その一方、保護ガラス表面では上記のエアシャッタ機能の影響でその空気の流れに層流境界層が形成されることになるが、その境界層に上流側から振動等をもって刺激を与えると、その層流境界層が破壊されて積極的に乱流化されながら増幅される。そして、この乱流境界層が保護ガラス表面に作用することにより、その保護ガラス表面に一旦付着したスパッタやヒュームが吹き飛ばされるようにして除去されることになる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、従来からのいわゆるエアシャッタ機能とは別に保護ガラスクリーニング手段を備えているので、保護ガラスに一旦付着した加工副次物までも吹き飛ばすようにして除去することが可能であり、加工副次物の付着による加工点でのレーザエネルギーの低下ひいていは加工品質への影響が少なくなってレーザ加工品質が向上するとともに、保護ガラスを頻繁に交換せずとも必要な加工品質を維持できるので、生産性も併せて向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１，２は本発明に係るレーザ加工ヘッドのより好ましい実施の形態を示す図で、レーザ溶接ヘッド１に適用した場合の例を示している。
【００１３】
同図において、１はレーザ溶接ヘッド、Ｗは被溶接物（被加工物）をそれぞれ示し、レーザ溶接ヘッド１のヘッド本体として機能することになるハウジング２内には図示しない反射ミラー等とともにレーザ光学系を形成することになる集光レンズ３が収容配置されている。この集光レンズ３の前面すなわち集光レンズ３よりも被溶接物Ｗ側には集光レンズ３を保護するための保護ガラス４が配置されていて、図示しないレーザ発振器から出力されたレーザ光Ｌｂが集光レンズ３にて集光された上で保護ガラス４を透過して被溶接物Ｗの溶接部位（加工点）Ｐに照射されることになる。
【００１４】
また、保護ガラス４よりも被溶接物Ｗ側であってレーザ光路の側方にはエア吹き出し手段としてエアノズル５が配設されている。このエアノズル５は、レーザ光Ｌｂに対してその直交方向から層状にエアを吹き出してエア乱流層６を形成するもので、エアノズル５とこのエアノズル５から吹き出されたエア乱流層６をもっていわゆるエアシャッタが形成されている。
【００１５】
上記の保護ガラス４はエアノズル５の上方側にまで延長されてガラス延長部１４となっており、このガラス延長部１４の端部下面にはそのガラス表面から２〜３ｍｍ離れた位置にホルダ７を介して振動体としての金属リボン８が張設されているとともに、ガラス延長部１４の端部上面側には金属リボン８と対向するように永久磁石９が固定配置されている。そして、金属リボン８には交流電源１０から例えば３０Ｈｚ以上の交流を流すことができるようになっていて、これらの交流電源１０や金属リボン８および永久磁石９までも含めて後述するように保護ガラスクリーニング手段１１が形成されている。
【００１６】
このように構成されたレーザ溶接ヘッド１によれば、溶接作業に際し、被溶接物Ｗへのレーザ光Ｌｂの照射に併せて、エアノズル５からエアを噴射させてエア乱流層６を形成し、同時に金属リボン８に通電させる。
【００１７】
レーザ光Ｌｂは集光レンズ３で絞られた上で溶接エネルギーとして被溶接物Ｗの溶接部位Ｐに照射されるとともに、レーザ光Ｌｂが照射された溶接部位Ｐからは副次物としてスパッタＳやヒュームが飛散することになる。飛散したスパッタＳ等はエアノズル５からのエア噴射によるエア乱流層６をもって同図の矢印Ｍ方向の吹き飛ばされることになるが、その全てが吹き飛ばされるわけではなく、一部のものは保護ガラス４に接触してそのまま保護ガラス４の表面に付着することになる。
【００１８】
その一方、エアノズル５からのエア噴射に基づくエア乱流層６のまわりには、その乱流層６の影響で同乱流層６と同じ方向を指向する二次流れ１２が形成されており、一般的には保護ガラス４の表面に近い部分には図３のように比較的靜的な層流境界層１３が形成されることになる。
【００１９】
これに対して本実施の形態では、エア乱流層６のまわりの二次流れ１２のうち保護ガラス４に近い部分であって且つその上流側には、通電された金属リボン８が位置していて振動しているため、二次流れ１２のうち保護ガラス４に近い部分では積極的に乱流成分が形成されてそれが次第に増幅され、最終的には上記の層流境界層１３に代えて乱流境界層１５が形成されることになる。そして、その成長，増幅された乱流境界層１５の乱流成分が保護ガラス４の表面に当たることにより、その保護ガラス４の表面に付着しているスパッタＳやヒュームが吹き飛ばされるようにして除去されることになる。なお、上記の乱流境界層１５における乱流成分の成長と増幅を一段と促進するためには、エア乱流層６のまわりの二次流れ１２の流速が５ｍ／ｓｅｃ以上であって且つ金属リボン８に通電される交流の周波数が３０Ｈｚ以上であることが望ましい。
【００２０】
その結果、スパッタＳやヒュームの付着による保護ガラス４の汚れを最小限に抑えることが可能となり、溶接品質が向上するとともに、保護ガラス４を頻繁に交換する必要もなくなって、生産性も併せて向上するようになる。
【００２１】
すなわち、本実施の形態では、いわゆるエアシャッタとして機能することになるエア乱流層６によって溶接時の副次物であるスパッタＳやヒュームの一部が吹き飛ばされるようにして一次的に除去され、さらに残りのスパッタＳやヒュームの一部が保護ガラス４の表面に一旦付着したとしても、上記の乱流境界層１５のはたらきでその保護ガラス４の表面に付着しているスパッタＳやヒュームを二次的に除去できるため、保護ガラス４本来の機能を長期にわたって維持できるようになり、保護ガラス４の交換頻度を著しく低いものとすることができる。
【００２２】
ここで、上記の実施の形態ではレーザ溶接を例にとって説明したが、本発明はレーザ溶接以外の各種レーザ加工ヘッドに適用できることは言うまでもなく、また振動体としては金属リボン８に代えてワイヤ状のものを用いてもよい。
【００２３】
さらに、図１，２に示したガラス延長部１４については、保護ガラス４とのある程度の面一性さえ確保できればガラス以外のものに置き換えることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の好ましい実施の形態としてレーザ溶接ヘッドの構造を示す要部斜視図。
【図２】図１に示すレーザ溶接ヘッドの断面説明図。
【図３】図２における乱流境界層が形成されない場合の断面説明図。
【符号の説明】
【００２５】
１…レーザ溶接ヘッド（レーザ加工ヘッド）
２…ハウジング
３…集光レンズ
４…保護ガラス
５…エアノズル（エア吹き出し手段）
６…エア乱流層（空気流れ）
８…金属リボン（振動体）
９…永久磁石
１０…交流電源
１１…保護ガラスクリーニング手段
１２…二次流れ
１４…ガラス延長部
１５…乱流境界層
Ｌｂ…レーザ光
Ｐ…溶接部位（加工点）
Ｓ…スパッタ（溶接副次物もしくは加工副次物）
Ｗ…被溶接物（被加工物）
【図１】
2005177760.tif 000003
【図２】
2005177760.tif 000004
【図３】
2005177760.tif 000005